ITMI981453A1 - BAND-GAP REGULATING CIRCUIT TO PRODUCE A VOLTAGE REFERENCE HAVING A TEMPERATURE COMPENSATION OF THE EFFECTS OF - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Campo di applicazione Field of application
La presente invenzione fa riferimento ad un circuito regolatore di band-gap per produrre un riferimento di tensione avente una compensazione in temperatura degli effetti di secondo ordine. The present invention refers to a band-gap regulator circuit for producing a voltage reference having a temperature compensation of the second order effects.
Più in particolare, l'invenzione, riguarda un circuito elettronico del tipo suddetto e comprendente una cella Brokaw per produrre un primo riferimento di tensione di bandgap Vbg. More particularly, the invention relates to an electronic circuit of the aforesaid type and comprising a Brokaw cell for producing a first bandgap voltage reference Vbg.
Arte nota Known art
I circuiti band-gap di riferimento in tensione sono ben noti ai progettisti di circuiti analogici. Questi circuiti di riferimento forniscono una tensione costante il più possibile indipendente dalla temperatura ambiente alla quale il circuito funziona. Questo genere di circuiti è presente in molti sistemi realizzati con circuiti integrati. Voltage reference band-gap circuits are well known to analog circuit designers. These reference circuits provide a constant voltage as much as possible independent of the ambient temperature at which the circuit operates. This kind of circuit is present in many systems made with integrated circuits.
Per esempio, un riferimento di tensione costante viene richiesto in convertitori analogico/digitali che confrontano il valore di un segnale di riferimento in tensione con il valore di un segnale da convertire. For example, a constant voltage reference is required in analog / digital converters which compare the value of a voltage reference signal with the value of a signal to be converted.
Sono noti numerosi dispositivi circuitali che forniscono un riferimento di tensione band-gap di tipo continuo (vale a dire disponibile il 100% del tempo di funzionamento) . Uno di tali dispositivi è descritto in Gray and Mayer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", pubblicato da John Wiley & Sons. Questi circuiti sono generalmente realizzati utilizzando tecnologia a giunzione bipolare in quanto il loro principio di funzionamento di basa sulle proprietà intrinseche della giunzione di un transistore bipolare (BJT), come descritto nella pubblicazione sopracitata. Numerous circuit devices are known which provide a continuous type band-gap voltage reference (ie 100% of the operating time available). One such device is described in Gray and Mayer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", published by John Wiley & Sons. These circuits are generally made using bipolar junction technology as their operating principle is based on the intrinsic properties of the junction of a bipolar transistor (BJT), as described in the aforementioned publication.
Il principio di funzionamento di un circuito bandgap di riferimento di tensione band-gap è basato sulla compensazione dell'incremento o decremento nel tasso di variazione di tensione dovuto a variazioni della temperatura ambiente. Vale a dire che la tensione tra la base e l'emettitore di un transistore bipolare decresce con la temperatura ambiente ad un tasso di circa 2 mV/° C. The operating principle of a band-gap voltage reference bandgap circuit is based on compensating for the increase or decrease in the rate of voltage change due to changes in ambient temperature. That is to say that the voltage between the base and the emitter of a bipolar transistor decreases with the ambient temperature at a rate of about 2 mV / ° C.
Nella qui allegata figura 1 è mostrato un esempio di circuito di band-gap noto come cella Brokaw. The attached figure 1 shows an example of a band-gap circuit known as a Brokaw cell.
Tale cella Brokaw comprende un transistore TI ed un transistore T2 di tipo pnp collegati tra loro in una configurazione a specchio di corrente. Gli emettitori di tali transistori Tl e T2 sono collegati ad un riferimento di tensione Vcc di alimentazione. Le basi dei due transistori Tl, T2 sono connesse tra loro. This Brokaw cell comprises a transistor T1 and a transistor T2 of the pnp type connected together in a current mirror configuration. The emitters of these transistors T1 and T2 are connected to a power supply voltage reference Vcc. The bases of the two transistors T1, T2 are connected to each other.
La base ed il collettore del primo transistore Tl sono collegati tra loro ed al collettore di un transistore T3 di tipo npn. The base and the collector of the first transistor T1 are connected to each other and to the collector of a transistor T3 of the npn type.
Più in particolare, i collettori dei due transistori Tl e T2 sono collegati ai rispettivi collettori di due transistori T3 e T4 aventi differenti aree di emettitore, l'area di emettitore di T4 essendo n volte l'area di emettitore di T3. Un partitore resistivo formato da due resistenze RI ed R2 è collegato tra l'emettitore del transistore T4 e la massa con il nodo H di connessione tra le resistenze collegato all'emettitore del transistore T3. More particularly, the collectors of the two transistors T1 and T2 are connected to the respective collectors of two transistors T3 and T4 having different emitter areas, the emitter area of T4 being n times the emitter area of T3. A resistive divider formed by two resistors R1 and R2 is connected between the emitter of the transistor T4 and the ground with the connection node H between the resistors connected to the emitter of the transistor T3.
La tensione di bandgap Vbg è prelevata dal nodo X dì interconnessione tra le basi dei transistori T3 e T4 ed è data dalla seguente relazione: The bandgap voltage Vbg is taken from the interconnection node X between the bases of the transistors T3 and T4 and is given by the following relationship:
dove Vbe è la caduta di tensione base-emettitore, VT è la tensione di soglia e K è una costante di progetto data da: where Vbe is the base-emitter voltage drop, VT is the threshold voltage and K is a design constant given by:
Vi è una dipendenza dalla temperatura della caduta di tensione Vbe base-emettitore che può essere espressa come segue: There is a temperature dependence of the base-emitter voltage drop Vbe which can be expressed as follows:
dove Vgo è la tensione di bandgap del silicio a zero gradi Kelvin. where Vgo is the silicon bandgap voltage at zero degrees Kelvin.
Se utilizziamo la relazione (3) all'interno della relazione (1) si ottiene che: If we use the relation (3) within the relation (1) we obtain that:
Dal momento che variazione con la temperatura della tensione di soglia VT è nota e che il valore della costante K può essere scelto, è possibile annullare gli effetti della dipendenza del primo ordine dalla temperatura sulla tensione di bandgap Vbg. Since the variation with the temperature of the threshold voltage VT is known and that the value of the constant K can be chosen, it is possible to cancel the effects of the temperature dependence of the first order on the bandgap voltage Vbg.
La figura 2 mostra il tipico andamento della tensione di badgap Vbg in funzione della temperatura per una cella di Brokaw di tipo noto. Figure 2 shows the typical trend of the badgap voltage Vbg as a function of the temperature for a known type Brokaw cell.
Come si può apprezzare, su un intervallo di temperatura che va dai -50 ai 150 °C, si osserva una variazione di 1,5 mV della tensione di bandgap. L'andamento a campana che si nota in Figura 2 è proprio dovuto agli effetti di secondo ordine della relazione (4). As can be appreciated, over a temperature range ranging from -50 to 150 ° C, a variation of 1.5 mV in the bandgap voltage is observed. The bell-shaped trend that can be seen in Figure 2 is due precisely to the second order effects of relation (4).
Questa variazione si somma con errori dovuti alle variazioni nel processo di fabbricazione, alle disfunzioni tra i componenti il circuito ed agli strees meccanici dovuti alla fase di packaging. Pertanto, è assai probabile che vengano superati i valori previsti nelle specifiche di progetto. This variation is added to errors due to variations in the manufacturing process, to malfunctions between the components of the circuit and to mechanical stresses due to the packaging phase. Therefore, it is very likely that the values foreseen in the project specifications will be exceeded.
In sostanza, per riuscire a soddisfare le specifiche occorre compensare anche gli effetti di secondo ordine. In essence, to be able to meet the specifications, it is also necessary to compensate for the second order effects.
La tecnica nota propone già alcune soluzione per soddisfare a questa esigenza. The known art already proposes some solutions to satisfy this need.
Le soluzioni di tipo noto si basano sul presupposto che la dipendenza dalla temperatura della caduta di tensione base-emettitore può essere modificata polarizzando il transistore con una corrente proporzionale alla temperatura assoluta (regolatori PTAT). Known solutions are based on the assumption that the temperature dependence of the base-emitter voltage drop can be modified by biasing the transistor with a current proportional to the absolute temperature (PTAT regulators).
Queste soluzioni presentano però alcuni inconvenienti : However, these solutions have some drawbacks:
- i relativi circuiti regolatori consumano molto quando ci sono molti rami di corrente. Inoltre, eventuali disaccoppiamenti tra gli specchi di corrente riducono di molto l'efficacia della compensazione. Si veda ad esempio: Gunawan and others: "A Curvature-Corrected Low Voltage Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, voi. 28, No. 6, June 1993. - the related regulator circuits consume a lot when there are many branches of current. Furthermore, any decoupling between the current mirrors greatly reduces the effectiveness of the compensation. See for example: Gunawan and others: "A Curvature-Corrected Low Voltage Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. 28, No. 6, June 1993.
- i regolatori di tipo noto non funzionano correttamente per valori di tensione di alimentazione inferiori a 3 V, che sono attualmente richiesti per molti applicazioni microelettroniche. Si veda a riguardo: Meijer and others: ” A New Curvature-Corrected Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, voi. SC-17, No. 6, December 1992. - known regulators do not work correctly for supply voltage values below 3 V, which are currently required for many microelectronic applications. See in this regard: Meijer and others: "A New Curvature-Corrected Bandgap Reference" - IEEE Journal of Solid State Circuit, vol. SC-17, No. 6, December 1992.
Lo scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito band-gap che può essere integrato come parte di circuiti integrati e che può produrre un riferimento di tensione avente una compensazione in temperatura degli effetti di secondo ordine . The object of the present invention is to provide a band-gap circuit which can be integrated as part of integrated circuits and which can produce a voltage reference having a temperature compensation of the second order effects.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito di riferimento in tensione con un basso consumo di potenza. Another object of the present invention is to provide a voltage reference circuit with a low power consumption.
Un ulteriore scopo dell'invenzione è quello di mettere a disposizione un circuito di riferimento in tensione avente una struttura di base fondata su una cella Brokaw ma che possa operare anche se alimentato con bassi valori di tensione. A further object of the invention is to provide a voltage reference circuit having a basic structure based on a Brokaw cell but which can operate even if supplied with low voltage values.
Sommario dell'invenzione Summary of the invention
L'invenzione raggiunge questi scopi, come pure altri scopi e vantaggi che risulteranno evidenti dalla descrizione. The invention achieves these objects, as well as other objects and advantages which will become apparent from the description.
L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di sommare alla tensione di riferimento Vbg, ricavata dalla cella Brokaw, una tensione di compensazione Vcorr per ottenere una tensione di riferimento più stabile in temperatura. The solution idea underlying the present invention is to add to the reference voltage Vbg, obtained from the Brokaw cell, a compensation voltage Vcorr to obtain a reference voltage more stable in temperature.
La nuova tensione di riferimento risulta appiattita rispetto alla curvatura di figura 2. The new reference voltage is flattened with respect to the curvature of figure 2.
Sulla base di questa idea di soluzione, l'invenzione raggiunge i suddetti scopi tramite un circuito bandgap di riferimento in tensione di comprendere ulteriormente: On the basis of this solution idea, the invention achieves the aforementioned purposes by means of a voltage reference bandgap circuit to further understand:
una porzione circuitale di compensazione per produrre un valore di tensione Vcorr di compensazione, nonché a compensation circuit portion for producing a compensation voltage value Vcorr, as well as
- mezzi per sommare tale valore di tensione Vcorr di compensazione al primo riferimento di tensione Vbg di bandgap . - means for adding this compensation voltage value Vcorr to the first bandgap voltage reference Vbg.
Le caratteristiche ed i vantaggi del regolatore secondo l'invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati. The characteristics and the advantages of the regulator according to the invention will emerge from the description, given below, of an embodiment given by way of non-limiting example with reference to the attached drawings.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
- la figura 1 mostra un vista schematica di un circuito regolatore bandgap del tipo noto come cella Brokaw; Figure 1 shows a schematic view of a bandgap regulator circuit of the type known as a Brokaw cell;
- la figura 2 mostra una vista schematica di una forma d'onda in funzione della temperatura di un segnale di tensione regolata prodotta dalla cella di figura 1; Figure 2 shows a schematic view of a waveform as a function of the temperature of a regulated voltage signal produced by the cell of Figure 1;
le figure 2A e 2B mostrano rispettive viste schematiche di forme d'onda in funzione del tempo di segnali in corrente ed in tensione presenti nello stadio di figura 1; Figures 2A and 2B show respective schematic views of waveforms as a function of time of current and voltage signals present in the stage of Figure 1;
- la figura 3 mostra una vista schematica di una soluzione circuitale secondo la presente invenzione; Figure 3 shows a schematic view of a circuit solution according to the present invention;
- le figure 4a, 4b e 4c mostrano rispettive viste schematiche di curve tensione-temperatura per una possibile tensione di bandgap prodotta senza compensazione, una tensione di compensazione prodotta secondo l'invenzione ed una tensione bandgap compensata; Figures 4a, 4b and 4c show respective schematic views of voltage-temperature curves for a possible bandgap voltage produced without compensation, a compensation voltage produced according to the invention and a compensated bandgap voltage;
- 'la figura 5 mostra una vista schematica di maggiore dettaglio circuitale di un regolatore di tensione bandgap realizzato in accordo con la presente invenzione; Figure 5 shows a schematic view of greater circuit detail of a bandgap voltage regulator made in accordance with the present invention;
- le figure 6a, 6b e 6c mostrano viste schematiche di curve tensione-temperatura per una tensione di bandgap prodotta senza compensazione, una tensione di compensazione ed una tensione bandgap compensata, rispettivamente. Figures 6a, 6b and 6c show schematic views of voltage-temperature curves for a bandgap voltage produced without compensation, a compensation voltage and a compensated bandgap voltage, respectively.
Descrizione dettagliata Detailed description
Con riferimento a tali figure, ed in particolare all'esempio di figura 5, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un circuito regolatore di tensione bandgap realizzato in accordo con la presente invenzione. With reference to these figures, and in particular to the example of figure 5, the numeral 1 globally and schematically indicates a bandgap voltage regulator circuit realized in accordance with the present invention.
Il circuito regolatore 1 comprende un generatore 2 di una tensione bandgap Vbg di riferimento. Tale generatore 2 è una cella Brokaw del tipo già descritto in precedenza con riferimento alla figura 1. The regulator circuit 1 comprises a generator 2 of a reference bandgap voltage Vbg. This generator 2 is a Brokaw cell of the type already described above with reference to Figure 1.
Il circuito 1 è vantaggiosamente realizzato in tecnologia bipolare; tuttavia, nulla vieta di applicare i principi dell'invenzione a soluzioni circuitali realizzate in tecnologia CMOS. The circuit 1 is advantageously made in bipolar technology; however, nothing prevents the principles of the invention from being applied to circuit solutions implemented in CMOS technology.
II circuito regolatore 1 secondo l'invenzione comprende una porzione aggiuntiva indicata con 3. Tale porzione 3 comprende un amplificatore 4 a transconduttanza ed un elemento sensibile alle variazioni di temperatura, ad esempio un transistore connesso a diodo Ql. The regulator circuit 1 according to the invention comprises an additional portion indicated with 3. This portion 3 comprises a transconductance amplifier 4 and an element sensitive to temperature variations, for example a transistor connected to a diode Q1.
L'amplificatore 4 è preferibilmente realizzato tramite una coppia di transistori bipolari Q2 e Q3, entrambi di tipo PNP. Gli emettitori di tali transistori sono collegati al riferimento di tensione Vcc di alimentazione tramite un generatore di corrente 12. L'emettitore del transistore Q2 è collegato all'emettitore del transistore Q3 tramite una resistenza R3. The amplifier 4 is preferably realized by means of a pair of bipolar transistors Q2 and Q3, both of the PNP type. The emitters of these transistors are connected to the supply voltage reference Vcc by means of a current generator 12. The emitter of the transistor Q2 is connected to the emitter of the transistor Q3 by means of a resistor R3.
Un partitore resistivo, indicato con 5, e formato da una coppia di resistenze R4, R5, è collegato tra il nodo di interconnessione X tra le basi dei transistori T3 e T4 della cella Brokaw 2 e la massa GND. A resistive divider, indicated with 5, and formed by a pair of resistors R4, R5, is connected between the interconnection node X between the bases of the transistors T3 and T4 of the Brokaw cell 2 and the ground GND.
La base del transistore Q3 è connessa direttamente al nodo di interconnessione tra le resistenze R4, R5 del partitore 5. Il collettore del transistore Q3 è invece collegato al riferimento di tensione di massa GND. The base of the transistor Q3 is connected directly to the interconnection node between the resistors R4, R5 of the divider 5. The collector of the transistor Q3 is instead connected to the ground voltage reference GND.
Secondo l'invenzione tra il nodo H della cella Brokaw 2 di figura 1 e la massa GND è inserito un partitore resistivo 6 comprendente una prima resistenza R2' ed una seconda resistenza R2''. Al nodo di interconnessione tra queste due resistenze R2' ed R2'' è collegato il collettore del transistore Q2 dell'amplificatore 4. According to the invention, a resistive divider 6 comprising a first resistor R2 'and a second resistor R2' 'is inserted between the node H of the Brokaw cell 2 of figure 1 and the ground GND. The collector of transistor Q2 of amplifier 4 is connected to the interconnection node between these two resistors R2 'and R2' '.
Un generatore di corrente II è collegato in serie al diodo Q1 tra il riferimento di tensione Vcc di alimentazione ed il riferimento di tensione di massa GND. La base del transistore Q2 è collegata tra tale generatore di corrente II ed il diodo Q1. A current generator II is connected in series to the diode Q1 between the supply voltage reference Vcc and the ground voltage reference GND. The base of the transistor Q2 is connected between this current generator II and the diode Q1.
I transistori Q2 e Q3 formano l'amplificatore 4 a transconduttanza che confronta la tensione Vd sul diodo Ql, prelevata dal transistore Q2, con una tensione di riferimento Vth prelevata tramite il partitore 5 dal valore di tensione prodotto dalla cella 2. The transistors Q2 and Q3 form the transconductance amplifier 4 which compares the voltage Vd on the diode Ql, taken from the transistor Q2, with a reference voltage Vth taken through the divider 5 from the voltage value produced by the cell 2.
Al variare della temperatura T, la tensione Vd diminuisce ed il transistore Q2 incomincia a portare una corrente maggiore di quella del transistore Q3 . Il resistore R3 introduce un cosiddetto offset di tensione in modo tale da far condurre il transistore Q2 solo a partire da un certo valore di temperatura. Inoltre, tale resistore serve anche per stabilire il valore di transconduttanza dell'amplificatore 4. As the temperature T varies, the voltage Vd decreases and the transistor Q2 begins to carry a current greater than that of the transistor Q3. Resistor R3 introduces a so-called voltage offset in such a way as to make transistor Q2 conduct only starting from a certain temperature value. Furthermore, this resistor also serves to establish the transconductance value of the amplifier 4.
II tipo di intervento del circuito 1 secondo l'invenzione può essere compreso al meglio facendo riferimento alle curve di tensione-temperatura mostrate nelle figure 4a, 4b e 4c. The type of intervention of the circuit 1 according to the invention can be better understood by referring to the voltage-temperature curves shown in Figures 4a, 4b and 4c.
Il circuito secondo l'invenzione opera sommando alla tensione Vbg di bandgap prodotta dalla cella 2 una tensione Vcorr di compensazione che consente di ottenere un riferimento Vrif di tensione più stabile in temperatura. Ad esempio, supponiamo di dover operare in una condizione come quella mostrata in figura 4b. La tensione Vcorr di compensazione viene generata nel nodo di interconnessione tra le resistenze R2' ed R2' ' del partitore 6. The circuit according to the invention operates by adding to the bandgap voltage Vbg produced by the cell 2 a compensation voltage Vcorr which allows to obtain a voltage reference Vrif more stable in temperature. For example, suppose we need to operate in a condition like the one shown in figure 4b. The compensation voltage Vcorr is generated in the interconnection node between the resistors R2 'and R2' 'of the divider 6.
Tale tensione Vcorr di compensazione viene prodotta da una corrente I(T) che scorre sulla resistenza R2'' e sul collegamento tra tale resistenza ed il collettore del transistore Q2. This compensation voltage Vcorr is produced by a current I (T) flowing on the resistor R2 '' and on the connection between this resistor and the collector of the transistor Q2.
La figura 6a mostra l'andamento della tensione Vbg di bandgap prodotta nel caso in esame dalla cella 2. La figura 6b mostra invece l'andamento della tensione Vcorr di compensazione che viene sommata alla tensione Vbg tramite il circuito regolatore 1 secondo l'invenzione. Figure 6a shows the trend of the bandgap voltage Vbg produced in the case in question by the cell 2. Figure 6b instead shows the trend of the compensation voltage Vcorr which is added to the voltage Vbg by means of the regulator circuit 1 according to the invention.
Scegliendo in modo opportuno il valore del resistore R3, è stato possibile rendere nulla la compensazione per valori di temperatura inferiori ad una soglia predeterminata. By appropriately choosing the value of the resistor R3, it was possible to make the compensation null for temperature values lower than a predetermined threshold.
Dalla figura 6c è possibile apprezzare il confronto tra la tensione Vrif di bandgap compensata che si ottiene con il regolatore 1 secondo l'invenzione e la tensione di bandgap senza compensazione prodotta secondo la tecnica nota. Come si può chiaramente vedere, la variazione in temperatura della tensione di bandgap compensata si è ridotta della metà rispetto al caso della tecnica nota e con un consumo aggiuntivo di corrente dovuto alla componentistica addizionale di soli 1,5 μΑ. From figure 6c it is possible to appreciate the comparison between the compensated bandgap voltage Vrif obtained with the regulator 1 according to the invention and the bandgap voltage without compensation produced according to the known technique. As it can be clearly seen, the variation in temperature of the compensated bandgap voltage is reduced by half with respect to the case of the prior art and with an additional current consumption due to the additional components of only 1.5 μΑ.
In sostanza il regolatore secondo l'invenzione risolve il problema tecnico e consegue numerosi vantaggi tra i quali sono degni di nota i seguenti: Basically, the regulator according to the invention solves the technical problem and achieves numerous advantages, among which the following are noteworthy:
- compensazione degli effetti del secondo ordine della temperatura sul valore della tensione di riferimento prodotta; - compensation of the effects of the second order of the temperature on the value of the reference voltage produced;
- basso consumo di potenza; - low power consumption;
- possibilità di operare anche con bassi valori di tensione di alimentazione. - possibility to operate even with low power supply voltage values.
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